DE2907245A1

DE2907245A1 - Solar heating system using lenticular transparent panels - has panels with upper and lower strip lenses at right angles

Info

Publication number: DE2907245A1
Application number: DE19792907245
Authority: DE
Inventors: Julius Dr Schneider
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-02-23
Filing date: 1979-02-23
Publication date: 1980-08-28

Abstract

The solar heating system using heat collectors, with a housing for circulating a heat exchange medium, uses panels (10) over the housing which consist of a series of lenses. These concentrate the rays (28) of the sun which strike them at an angle, vertically downwards onto a heat collector surface (24) below. This is a blackened surface, under which the heat exchange medium circulates. Each transparent panel has strip-shaped lenses, convex on the outside running e.g. at right angles to the direction of flow (20, 22) of the medium. These lenses form half the depth of the panel, and the lower half consists of strip lenses, with their convex surfaces downwards, and parallel to the flow, i.e. the two sets of lenses are at right angles. The underside form a seal with the housing.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ErwärmungThe invention relates to a device for heating

eines Wärmeträgermediums durch Sonnenenergie, umfassend einen Behälter für das Wärmeträgermedium mit einer mit dem Wärmeträgermedium in Wärmeaustauschkontakt stehenden Strahlungsauffangfläche und eine im Weg der einfallenden Strahlung angeordnete Linsenanordnung mit einer Mehrzahl von reihenförmig nebeneinanderliegenden Sammellinsen, deren Abstand von der Strahlungsauffangfläche wenigstens annähernd gleich ihrer Brennweite ist.a heat transfer medium by solar energy, comprising a container for the heat transfer medium with one in heat exchange contact with the heat transfer medium standing radiation collecting surface and one arranged in the path of the incident radiation Lens arrangement with a plurality of converging lenses lying next to one another in a row, their distance from the radiation collecting surface at least approximately equal to their Focal length is.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE-OS 27 30 839 bekannt. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung ist der Behälter von einem rohrförmigen Nollektor gebildet,durch den das Wärmeträgermedium hindurchströmt. Die Linsenanordnung umfaßt eine Reihe von Flüssigkeitslinsen, die so ausgebildet und angeordnet sind, daß die Brennflecken oder Brennstriche auf der Kollektoroberfläche oder in dem Xollektor liegen. Diese Flüssigkeitslinsen bestehen aus einer im wesentlichen ebenen und einer gekrümmten Fläche aus transparentem Material, wobei der Zwischenraum zwischen diesen beiden Flächen mit einer Flüssigkeit mit relativ hohem Brechungsindex gefüllt ist. Die Herstellung dieser Linsen ist relativ aufwendig. Es muß darauf geachtet werden, daß die Linsen absolut dicht sind und keine Flüssigkeit auslaufen kann. Es muß beachtet werden, daß die Flüssigkeit sich bei Erwärmung durch die einfallende Strahlung ausdehnen kann, ohne die optischen Eigenschaften der Linsen zu verändern. Umgekehrt muß durch Beifügen qeeigneter Frostschutzmittel gegebenenfalls dafür gesorgt werden, daß die Linsenflüssigkeit nicht bei fehlender Sonneneinstrahlung einfrieren kann.Such a device is for example from DE-OS 27 30 839 known. In the device described there, the container is of a tubular shape Formed collector through which the heat transfer medium flows. The lens assembly comprises a series of liquid lenses designed and arranged to that the focal spots or focal lines on the collector surface or in the Xollektor lie. These liquid lenses consist of a substantially flat and a substantially flat lens curved surface of transparent material, with the space between them both surfaces is filled with a liquid with a relatively high refractive index. The manufacture of these lenses is relatively complex. Care must be taken that the lenses are absolutely tight and no liquid can leak out. It must be noted that the liquid will expand when heated by the incident radiation can without changing the optical properties of the lenses. The other way round must be done Adding suitable antifreeze agents, if necessary, ensure that the Lens fluid cannot freeze in the absence of sunlight.

Eine derartige Linsenanordnung ist daher für einen großflächigen Einsatz zu aufwendig und zu teuer.Such a lens arrangement is therefore for a large area mission too complex and too expensive.

Aus der DE-OS 27 30 839 ist ferner eine Linsenanordnung bekannt, die aus einer im wesentlichen ebenen transparenten und in eine Vielzahl von quadratischen Feldern unterteilten Kunststoffplatte besteht, wobei in jedes der quadratischen Felder eine Fresnel-Linse eingepreßt ist. Eine derartige Linsenanordnung ist zwar relativ einfach und preiswert auch in großen Flächen herzustellen, hat aber den Nachteil, daß sie die einfallende Strahlung nicht optimal ausnutzt. Denn zwischen den kreisförmigen Fresnel-Linsen bleiben Bereiche, in denen die einfallende Strahlung nicht gesammelt und auf der Strahlungsauffangfläche fokussiert werden kann.From DE-OS 27 30 839 a lens arrangement is also known which from an essentially flat transparent and into a multitude of square ones Fields made of divided plastic plate, with each of the square Fields a Fresnel lens is pressed. Such a lens arrangement is relatively easy and inexpensive to manufacture even in large areas, but has the Disadvantage that it does not make optimal use of the incident radiation. Because between The circular Fresnel lenses remain areas in which the incident radiation cannot be collected and focused on the radiation collecting surface.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit geringem Aufwand und preiswert herzustellen ist und bei der die auf die Linsenanordnung einfallende Strahlung optimal genutzt werden kann.The invention is based on the object of providing a device of the initially described specified type, which can be manufactured with little effort and inexpensively and in which the radiation incident on the lens arrangement is optimally used can.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß jede Linsenreihe von einer Linsenleiste gebildet ist, deren eine Oberfläche konvex und im wesentlichen zylindrisch gekrümmt ist mit zur Leistenlängsrichtung paralleler Krümmungsachse und deren entgegengesetzte Oberfläche in eine Mehrzahl konvexer und im wesentlichen zylindrisch gekrümmter Oberflächenabschnitte mit jeweils senkrecht zur Leistenlängsrichtung verlaufender Krümmungsachse unterteilt ist.To solve this problem it is proposed according to the invention that each row of lenses is formed by a lens bar, one surface of which is convex and is essentially cylindrically curved with parallel to the longitudinal direction of the strips Axis of curvature and its opposite surface in a plurality of convex and substantially cylindrically curved surface sections each with perpendicular is subdivided for the longitudinal direction of the curvature axis.

Eine derartige Linsenleiste läßt sich sehr einfach herstellen, indem sie beispielsweise aus Kunststoff oder Glas gepreßt oder gegossen wird. Die sich kreuzenden Zylinderflächen bilden im Überschneidungsbereich jeweils eine Sammellinse, wobei zwischen den Sammellinsen kein toter Raum entsteht, wie dies bei der Anordnung von kreisförmigen Linsen in einer Ebene der Fall ist. Bei Verwendung eines großflächigen Behälters für das Wärmeträgermedium,beispielsweise auf einer Dachfläche eines Hauses, können eine Mehrzahl von Linsenleisten parallel zueinander derart angeordnet sein, daß die mit ihrer Krümmungsachse senkrecht zur Leistenlängsrichtung liegenden Oberflächenabschnitt der Linsenleisten miteinander fluchten. Auf diese Weise entsteht ein rechteckiges Feld von Sammellinsen, die auf der Strahlungsauffangfläche ein gitterförmiges Muster von Brennflecken erzeugen.Such a lens bar can be produced very easily by For example, it is pressed or cast from plastic or glass. Which crossing Cylindrical surfaces each form in the intersection area a converging lens, whereby there is no dead space between the converging lenses, like this is the case with the arrangement of circular lenses in one plane. at Use of a large container for the heat transfer medium, for example On a roof surface of a house, a plurality of lens strips can be parallel be arranged to each other in such a way that the with their axis of curvature perpendicular to Bar longitudinal direction lying surface section of the lens bars with each other cursing. In this way, a rectangular field of converging lenses is created generate a grid-shaped pattern of focal spots on the radiation collecting surface.

Die Herstellung und der Einbau der Linsenleisten vereinfacht sich außerordentlich, wenn die Linsenleisten zu einer einstückigen Linsenplatte vereinigt sind, deren Oberflächen jeweils eine Mehrzahl von parallel zueinander liegenden, konvexen Teilzylinderflächen mit gleichem Krümmungsradius umfassen, wobei die Krümmungsachse der Zylinder flächen der einen Plattenoberfläche senkrecht auf den Krümmungsachsen der Zylinderflächen der anderen Plattenoberfläche stehen. Derartige Platten können in Einheiten bestimmter Größe vorgefertigt werden7 die dann je nach Bedarf zusammengesetzt oder auseinandergeschnitten werden, um eine Strahlungsauffangfläche der gewünschten Größe zu überdecken, wobei die Abmessungen der resultierenden Linsenanordnung im wesentlichen mit den Abmessungen der Strahlungsoberfläche übereinstimmen. Die Linsenplatten werden dabei beispielsweise durch Distanzelemente in dem vorgeschriebenen Abstand zur Strahlungsauffangfläche gehalten. Diese kann auf ihrer der Linsenanordnung zugewandten Seite geschwärzt sein, um die Wärmeaufnahme zu verbessern.The manufacture and installation of the lens strips is simplified extraordinary when the lens strips are combined to form a one-piece lens plate are, the surfaces of which each have a plurality of parallel to each other, include convex partial cylinder surfaces with the same radius of curvature, the axis of curvature the cylinder surfaces of one plate surface perpendicular to the axes of curvature of the cylinder surfaces of the other plate surface. Such plates can prefabricated in units of a certain size7 which are then put together as required or cut apart to form a radiation collecting area of the desired Size to cover, with the dimensions of the resulting lens assembly in substantially coincide with the dimensions of the radiation surface. The lens plates are for example by spacer elements at the prescribed distance held to the radiation collecting surface. This can on its facing the lens arrangement Side blackened to improve heat absorption.

Die Ausnutzung der eingestrahlten Wärme läßt sich noch dadurch verbessern, daß der Raum zwischen der Strahlungsauffangfläche und der plattenförmigen Linsenanordnung nach außen hin abgeschlossen ist. Dadurch entsteht der sogenannte Gewächshauseffekt, da ein Austausch der zwischen der Linsenanordnung und der Strahlungsauffangfläche befindlichen Luft und damit ein Abführen von eingestrahlter Wärme verhindert wird.The utilization of the radiated heat can be improved by that the space between the radiation collecting surface and the plate-shaped lens arrangement is closed to the outside. This creates the so-called greenhouse effect, there is an exchange of the between the lens arrangement and the radiation collecting surface located air and thus a dissipation of radiated heat is prevented.

Vorzugsweise besteht der Behälter für das Wärmeträgermedium aus einem flachen Kasten mit mindestens einem Einlaß und einer Auslaßöffnung für das Wärmeträgermedium, wobei die Behälterflächen mit Ausnahme der Strahlungsauffangfläche thermisch isoliert sind.The container for the heat transfer medium preferably consists of one flat box with at least one inlet and one outlet opening for the heat transfer medium, whereby the container surfaces are thermally insulated with the exception of the radiation collecting surface are.

Die beiliegenden Figuren erläutern die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung, und Fig. 2 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erwärmung eines Wärmeträgermediums durch Sonnenenergie.The accompanying figures explain the invention using an exemplary embodiment. 1 shows a perspective illustration of a lens arrangement according to the invention, and FIG. 2 shows a section through the device according to the invention for heating a Heat transfer medium through solar energy.

Die in Fig. 1 dargestellte Linsenanordnung besteht im wesentlichen aus einer transparenten Sunststoff- oder Glasplatte, deren beide Oberflächen sich jeweils aus einer Mehrzahl von konvexen Teilzylinderflächen 12 bzw.The lens arrangement shown in Fig. 1 consists essentially made of a transparent plastic or glass plate, the two surfaces of which are mutually exclusive each made up of a plurality of convex partial cylinder surfaces 12 or

14 zusammensetzen, wobei die Krümmungsachsen oder zylind£rachsen der Zylinderflächen 12 senkrecht zu den Krümmungsachsen oder Zylinderachsen der Zylinderflächen 14 verlaufen. In dem Bberschneidungsbereich zweier senkrecht zueinandergerichteter Zylinderflächen 12 und 14 entsteht jeweils eine quadratische Sammellinse 16, so daß die gesamte Platte 10 aus einem Feld von lückenlos aneinanderstoßenden Sammellinsen 16 besteht. In der dargestellten Ausführungsform besteht die Platte aus einem Feld von 3 x 3 Sammellinsen 16. Man erkennt, daß aber derartige Platten in beliebiger Größe hergestellt und ggfs. auch auf ein gewünschtes Maß zurechtgeschnitten werden können, indem man die Platte längs einer Grenzlinie zwischen zwei Zylinderflächen 12 oder 14 durchschneidet. Dies ermöglicht eine preiswerte Massenherstellung der erfindungsgemäßen Linsenanordnung, so daß sie für den Bau von großflächigen Sonnenkollektoren beispielsweise auf einem Dach verwendet werden kann.14, the axes of curvature or cylinder axes of the Cylinder surfaces 12 perpendicular to the axes of curvature or cylinder axes of the cylinder surfaces 14 run. In the intersection area two perpendicular more towards each other Cylinder surfaces 12 and 14 each produce a square converging lens 16, see above that the entire plate 10 from a field of seamlessly abutting convergent lenses 16 consists. In the embodiment shown, the plate consists of a field of 3 x 3 converging lenses 16. It can be seen that such plates are in any Made to size and, if necessary, cut to the desired size can by placing the plate along a boundary line between two cylindrical surfaces 12 or 14 cuts through. This enables inexpensive mass production of the Lens arrangement according to the invention, so that it is suitable for the construction of large-area solar panels for example, can be used on a roof.

Dabei kann die Linsenanordnung wie ein Fenster oder wie eine Dachabdeckung in die Dachfläche eingebaut werden, ohne daß dadurch spezielle Schwierigkeiten für die Abdichtung des Daches entstünden.The lens arrangement can be like a window or like a roof cover can be built into the roof surface without creating any special difficulties for the roof would be waterproofed.

Der Einbau einer Linsenanordnung gemäß Fig 1 in einer Vorrichtung zur Erwärmung eines Wärmeträgermediums mittels Sonnenenergie ist in Fig. 2 im Schnitt dargestellt.The installation of a lens arrangement according to FIG. 1 in a device for heating a heat transfer medium by means of solar energy is shown in Fig. 2 in section shown.

Diese Vorrichtung umfaßt einen Behälter 18 in Form eines flachen Kastens mit einem Einlaß 20 und einem Auslaß 22 für das Wärmeträgermedium, das beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Umwälzpumpe durch den Behälter 18 gepumpt werden kann. Über dem Behälter 18 und parallel zu seiner als Strahlungsauffangfläche 24 dienenden Oberseite ist die Linsenplatte 10 angeordnet. Sie wird durch Distanzelemente 26 in einem Abstand zur Strahlungsauffangfläche 24 gehalten, der im wesentlichen der Brennweite der einzelnen Sammellinsen 16 entspricht. Dadurch wird die einfallende Strahlung 28 auf der Strahlungsauffangflache 24 zu einzelnen Brennflecken gebündelt, wie dies in Fig. 2 durch den schematisch eingezeichneten Strahlengang wiedergegeben ist. Bei einer Linsenfläche von beispielsweise einem Quadratzentimeter ergibt sich auf der Strahlungsauffangfläche 24 ein dichtes Gitter von Brennflecken, in denen eine relativ hohe Temperatur herrscht Im Gegensatz zu einer einfachen glatten Glasplatte ermöglicht es die erfindungsgemäße Linsenanordnung, auch schräg einfallende Strahlung bei tiefstehender Sonne noch einzufangen und auf der Strahlungsauffangfläche 24 zu fokussieren.This device comprises a container 18 in the form of a flat box with an inlet 20 and an outlet 22 for the heat transfer medium, for example be pumped through the container 18 by means of a circulating pump (not shown) can. Above the container 18 and parallel to its radiation collecting surface 24 Serving top side, the lens plate 10 is arranged. It is made by spacer elements 26 held at a distance from the radiation collecting surface 24, the substantially corresponds to the focal length of the individual converging lenses 16. This will make the incident Radiation 28 bundled on the radiation collecting surface 24 to form individual focal spots, like this in Fig. 2 by the schematically drawn beam path is reproduced. With a lens area of, for example, one square centimeter a dense grid of focal spots results on the radiation collecting surface 24, in which there is a relatively high temperature as opposed to a simple smooth Glass plate enables the lens arrangement according to the invention, even obliquely incident Still catching radiation when the sun is low and on the radiation collecting surface 24 to focus.

Mit Ausnahme der Strahlungsauffangfläche sind sämtliche Behälterwände von einer Wärmeisolierschicht 30 umgeben, um ein Abfließen der Wärme durch die Behälterwände hindurch zu vermeiden.With the exception of the radiation collecting surface, all container walls are surrounded by a heat insulating layer 30 to prevent the heat from flowing through the container walls to avoid through.

Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Mühe in beliebigen Größen hergestellt und beispielsweise auch noch nachträglich in Dachflächen eingebaut werden kann. Die Anordnung kann auch unter einem Dachfenster innerhalb des Hauses angeordnet werden, so daß sie leicht zugänglich und vor Witterungseinflüssen geschützt ist In diesem Fall müssen natürlich die Dachfenster klare Glasscheiben haben, die erfahrungsgemäß nur ca. 1 t der einfallenden Sonnenstrahlung abschirmen. Die Zu- und Ableitungen für das Wärmeträgermedium können dann auf einfache Weise im Inneren des Dachraumes verlegt werden. Bei einer Ver wendung von Wasser als Wärmeträgermedium ist damit die erfindungsgemäßc- Vorrichtung leichter gegen Frost zu schützen.The above description shows that the device according to the invention Manufactured in any size without any effort and, for example, also subsequently can be built into roof surfaces. The arrangement can also be under a skylight be placed inside the house so that they are easily accessible and protected from the elements In this case, the skylights must of course have clear panes of glass which, as experience shows, shield only approx. 1 t of incident solar radiation. The supply and discharge lines for the heat transfer medium can then be easily adjusted be laid inside the attic. When using water as the heat transfer medium the device according to the invention is thus easier to protect against frost.

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Claims

Device for heating a heat transfer medium using solar energy Claims S device for heating a heat transfer medium by solar energy, comprising a container for the heat transfer medium with one with the heat transfer medium in heat exchange contact with the radiation collecting surface and one in the path of the incident Radiation-arranged lens arrangement with a plurality of rows next to one another Converging lenses whose distance from the radiation collecting surface is at least approximately is equal to its focal length, in that each row of lenses is formed by a lens bar, one surface (12, 14) of which is convex and im essential is cylindrically curved with the longitudinal direction of the groin parallel axis of curvature and its opposite surface in a plurality convex and essentially cylindrically curved surface sections (14, 12) subdivided with each axis of curvature running perpendicular to the longitudinal direction of the groin is.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that a plurality of lens strips are arranged parallel to one another in such a way that that the surface sections lying with their axes of curvature perpendicular to the longitudinal direction of the strips (14, 12) of the lens strips are aligned with one another.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the lens strips are combined to form a one-piece lens plate (lo), the surfaces of which each have a plurality of convex surfaces lying parallel to one another Partial cylinder surfaces (12, 14> comprise the same radii of curvature, the The radii of curvature of the cylindrical surfaces (12, 14) of the one plate surface are perpendicular to the axes of curvature of the cylinder surfaces (14, 12) of the other plate surface stand.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the dimensions of the lens plate (10) essentially match the dimensions the radiation collecting surface (24) match.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized g e k e n It should be noted that the radiation collecting surface is blackened.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized g e k e n It is indicated that the space between the lens arrangement (10) and the radiation collecting surface (24) is closed to the outside.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized g e k e n It is noted that the container has at least one inlet opening (20) and an outlet opening (22) is formed for the heat transfer medium and that the container surfaces with the exception of the radiation collecting surface (24) thermally insulated from the environment are.